Stirlingmoottorilla aiotaan pyörittää sähkögeneraattoria aurinkovoimalassa.
Suomalaiset energiatutkijat kehittävät biostirlingiä.
Nasa suunnittelee ydinkäyttöistä stirlingmoottoria kuuasemalle.
Kaksisataa vuotta varjossa elänyt moottori on tullut muotiin.


Suomalaiset energiatutkijat kehittävät biostirlingiä.
Nasa suunnittelee ydinkäyttöistä stirlingmoottoria kuuasemalle.
Kaksisataa vuotta varjossa elänyt moottori on tullut muotiin.

Julkaistu Tiede -lehdessä 12/2009

Skotlantilainen pappi Robert Stirling patentoi 1816 lämpövoimakoneen, jossa kaasu laajenee ja supistuu suljetussa tilassa ja muuttaa lämpöä mekaaniseksi työksi. Nyt näyttää siltä, että tästä moottorimaailman Tuhkimosta on lopulta tulossa prinsessa.

Stirlingmoottorin lämmönlähteeksi kelpaa mikä vain, vaikka aurinko. Ruotsalais-yhdysvaltalainen keksijä ja yrittäjä John Ericsson kehitti 1870-luvulla aurinkostirlingin.

Viime heinäkuussa yhdysvaltalaiset Stirling Energy Systems ja Tessera Solar esittelivät aurinkokone SunCatcherin, joka muistuttaa Ericssonin laitetta.


Ericsson uskoi aurinkoon

Jenkkiyhtiöiden aurinkosieppari koostuu peilistä, stirlingmoottorista ja sähkögeneraattorista. Työaine on vetyä, jonka aurinko kuumentaa 600 celsiusasteeseen. Kylmää päätä jäähdytetään vesi-glykoliseoksella samaan tapaan kuin auton moottoria. 

Yksi sieppari kehittää 25 kilowatin tehon. Yhtiöt suunnittelevat Kaliforniaan ja Texasiin voimaloita, jotka koostuvat kymmenistä tuhansista SunCatchereista ja joiden yhteinen sähköteho nousee vuoteen 2012 mennessä noin tuhanteen megawattiin.

Nykyinsinöörit seuraavat Ericssonia, joka laski, että aurinkoalueille kannattaa rakentaa 22 miljoonaa sadan hevosvoiman (75 kilowatin) stirlingiä. Yhteinen piikkiteho olisi ollut 1,7 terawattia, mutta asennetusta tehosta olisi auringonpaisteen vaihtelun takia pystytty käyttämään alle kolmasosa, ehkä puoli terawattia.

Nykyään maailma tuottaa sähköä 2,8 terawatin keskiteholla. Jos Ericssonin ohjelma olisi toteutettu, aurinkostirlingeistä saataisiin nyt yli 15 prosenttia sähköstä.


Kiinnostus heilahdellut

Ericsson perusteli suunnitelmaansa hiilen loppumisella, mutta pian löydettiin lisää fossiilisia polttoaineita. Stirlingmoottorista tuli erikoislaite, jota 1800-luvulla käytettiin jonkin verran höyrykoneen asemesta lähinnä pumppujen voimanlähteenä.

Viime vuosisadalla nousivat valtaan öljy ja tavallinen polttomoottori. Moottori, jossa polttoaine paloi sylinterin sisällä, oli pieni ja kevyt. Suuria lämmönsiirtopintoja ei tarvittu. Stirlingit jäivät erityiskohteisiin, kuten sukellusveneisiin, joissa moottorin hiljainen käyntiääni on etu.

Kiinnostus kasvoi taas 1970-luvulla, kun öljyn hinta nousi. Autotehtaatkin kehittivät stirlingejä, jotka pyörivät kaikilla polttoaineilla.

Ja taas kiinnostus lopahti, kun öljy halpeni.

Nyt suhdanne on jälleen muuttunut: stirling kiinnostaa etenkin sähkön tuotannossa.

Jos lähitulevaisuudessa jonnekin aurinkoalueelle asennetaan lukuisia - satoja tai jopa tuhansia - stirlingejä, koneiden hinta laskee. Silloin kuumakaasukoneelle löytyy markkinoita muualtakin.


Biostirling lämpökeskukseen

Uutena sovelluksena kehitetään sähkön ja lämmön yhteistuotantoa, jossa stirlingin jäähdytysvedellä lämmitettäisiin tiloja.

Meillä Suomessa on tätä nykyä tiettävästi kaksi stirlingkonetta, joita käytetään paljolti juuri yhteistuotannon tutkimukseen. Jy¬väskylässä yliopisto ja Valtion teknillinen tutkimuskeskus sekä Lappeenrannassa teknillinen yliopisto kehittävät biostirlingvoimalaa.

- Sähköteholtaan noin kymmenen kilowatin stirlingmoottori sopii hyvin lämpöyrittäjälle, kertoo sovelletun termodynamiikan dosentti Juha Kaikko Lappeenrannasta. Kaikko korostaa, että näin pystytään hyödyntämään halpaa, uusiutuvaa polttoainetta, kuten haketta.

Jyväskyläläiset taas ovat tutkineet vähän pitemmälle jalostetun polttoaineen, puupelletin, käyttöä.

Lämpöyrittäminen on paikallista tuotantoa, jota paikallinen sähköntuotanto täydentää luontevasti. Sähkö voidaan käyttää lähellä, mutta kymmenen kilowatin sähköteho kuluu helposti jo itse lämpökeskuksessa pumppuihin, puhaltimiin ja kuljettimiin. 


Biossa omat pulmansa

Käyttöä biostirlingille löytyy kaikkialla. Suomessa ja muissa teollisuusmaissa biostirlingvoimala pienentää sähkölaskua ja lisää kilpailua sähkömarkkinoilla. Monilta Aasian ja Afrikan alueilta puuttuu keskitetty sähköverkko, jolloin paikallinen tuotanto on ainoa mahdollisuus.

Tähän asti stirlingejä on käytetty lähinnä Keski-Euroopassa ja polttoaineena on ollut kaasu tai öljy. Biopolttoaine tuo omat erityisongelmansa, jollainen on esimerkiksi tuhka. Jos savukaasu on liian kuumaa, tuhka pehmenee ja tarttuu lämmönsiirtopintaan.

- Siksi biomassaa on pakko polttaa matalahkossa, esimerkiksi 1 250 asteen lämpötilassa, kuvailee ongelmaa tutkimusjohtaja Martti Aho Jyväskylän yliopistosta. - Maakaasua voi polttaa jopa 1 600 asteessa. Lämpötilan pudottaminen taas alentaa hyötysuhdetta.

Biostirlingien markkinoille tulosta tutkijat sen enempää kuin yrityksetkään eivät toistaiseksi ole antaneet vuosilukuja. Julkaistuista tutkimustuloksista päätellen kaupalliset sovellukset ovat mahdollisia muutamassa vuodessa.

- Kymmenen vuoden päästä stirlingmoottoreita käytetään yleisesti, vakuuttaa dosentti Kaikko.


Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.


Mikä on stirlingmoottori?
Klassisen stirlingin periaatteen voimme hahmottaa kuvittelemalla kaksi sylinteriä, jotka on yhdistetty kampikoneistolla. Koneisto synkronoi sylinterien liikkeet.


Siirtosylinterissä A liikkuu huokoinen siirtomäntä C. Työsylinterissä B liikkuu työmäntä D. 
* Paineistettu kaasu siirtää ylös työmäntää D, joka tekee mekaanista työtä, esimerkiksi pyörittää sähkögeneraattoria (1. tahti). Sylinterin liikkuessa kaasun paine laskee. 
* Siirtomäntä C laskeutuu alas (2. tahti). Kaasun paine laskee edelleen.
* Sitten myös työmäntä D painuu alas (3. tahti).
* Siirtomäntä C nousee ylös (4. tahti). Viilentynyt ilma virtaa alaspäin männän läpi. Ilma lämpenee taas, paine kasvaa ja kierros alkaa alusta.


Kaavio julkaistiin Tiede 2000 -lehdessä 7/1989. Se on kopioitu vuonna 1925 julkaistusta Uppfinningarnas bok  -kirjasta ja esittää Robert Strilingin alkuperäistä konetta.


Stirling poikkeaa polttomoottorista
* Stirling on "ulkopolttomoottori" eli polttoaine palaa tai lämpö kehitetään muulla tavalla sylinterin ulkopuolella. Tavallisessa polttomoottorissa polttoaine palaa sylinterin sisässä.
* Stirlingissä lämpö on siirrettävä työaineeseen sylinterin seinän läpi. Polttomoottorissa lämmönsiirtopintaa ei tarvita, koska sylinteri toimii myös polttokammiona ja savukaasut työaineena.
* Stirlingissä työaine laajenee ja supistuu, mutta ei räjähdä. Polttomoottori on "räjähdysmoottori", jossa polttoaine räjähtelee koko ajan sylinterissä.


Kuuhun atomistirling
Stirlingmoottorin lämmönlähteeksi kelpaa myös ydinreaktori. Nasa suunnittelee tulevan kuuaseman asukkaille mikroydinvoimalaa, jonka tuottamasta lämmöstä stirlingmoottori tekee sähköä.
 Polttoaineena on uraanidioksidi. Natriumin ja kaliumin seos jäähdyttää ¬reaktoria ja kuumentaa stirling-moottoria. Laitoksen teho on 40 kilowattia.

Alzheimerin tautiin tarkoitettu lääke auttoi unien hallintaa.

Jos haluat hallita uniasi, se voi onnistua muistisairauden hoitoon tarkoitetulla lääkkeellä. Lääke virittää ihmisen näkemään niin sanottuja selkounia, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Selkounessa ihminen tiedostaa näkevänsä unta ja pystyy jopa vaikuttamaan siihen.

Joka toinen ihminen on mielestään nähnyt selkounen ainakin kerran elämässään. Joka neljäs näkee niitä kuukausittain, arvioi parin vuoden takainen tutkimuskatsaus.

Alzheimerlääke auttoi tuoreessa yhdysvaltalaisessa tutkimuksessa koehenkilöitä selkouniin. Koehenkilöistä nuori nainen onnistui unessa rullaluistelemaan tavaratalossa, kun oli ensin suunnitellut sitä valveilla.

”Luistelimme ystäväni kanssa pitkin käytäviä. Oli niin hauskaa, että upposin täysillä uneen mukaan”, 25-vuotias nainen kuvailee.

Unet olivat koehenkilöiden mukaan lääkkeen vaikutuksesta todentuntuisempia kuin ilman lääkettä. Yhdysvaltalainen tutkimus julkaistiin Plos One -lehdessä.

Kokeessa tutkijat harjoittivat yli 120 eri ikäistä koehenkilöä näkemään selkounia. Ryhmään oli valkoitunut ihmisiä, jotka muistavat unensa hyvin ja ovat kiinnostuneita selkounista.

He opettelivat tekniikoita, joiden pitäisi helpottaa selkouneen pääsyä. Pitkin päivää ja ennen nukkumaan menoa voi esimerkiksi toistella itselleen, että kun näen unta, muistan näkeväni unta.

Unia voi visualisoida eli harjoitella mielessään etukäteen. Selkouneen päästyään voi tehdä todellisuustestejä, kuten onnistuuko seinän läpi käveleminen tai leijuminen.

Lääkekokeessa, jota johti selkounien uranuurtaja Stephen LaBerge, koehenkilöt saivat galantamiinia. Sitä käytetään lievän tai kohtalaisen vaikean Alzheimerin taudin hoitoon.

Lääke terästää asetyylikoliinin määrää aivoissa. Asetyylikoliini huolehtii viestien välityksestä aivosolujen välillä, virkistää muistia ja kiihdyttää rem-unta. Juuri remvaiheessa ihminen näkee yleisimmin unia.

Suurimman annoksen galantamiinia saaneista 42 prosenttia pystyi kuvauksensa mukaan selkouniin. Osuus oli huomattavasti suurempi osa kuin muissa koeryhmissä.

Koehenkilöiden unta ei mitattu unilaboratorioiden laitteilla, joilla tallennetaan silmien liikkeitä ja elintoimintoja. Tulokset perustuivat koehenkilöiden kertomaan.

LaBerge seurasi kuitenkin toisessa tuoreessa tutkimuksessaan silmien liikkeitä unennäön aikana. Silmien liikkeet kiihtyvät rem-unen aikana.

Kun koehenkilöt siirtyivät selkouneen, he liikuttivat silmiään ennalta sovitusti vasemmalta oikealle. Sitten heidän piti seurata unensa kohteita, joita he olivat ennalta visualisoineet.

Silmät liikkuivat sulavasti, samoin kuin ihmisen seuratessa katseella todellista kohdetta. Kuviteltua kohdetta seuratessa silmät liikkuvat nykäyksittäin.

Tutkimus julkaistiin Nature Communications -lehdessä.

Kysely

Oletko nähnyt selkounta?

mdmx
Seuraa 
Viestejä5205
Liittynyt23.11.2009

Viikon gallup: Oletko nähnyt selkounta?

Käyttäjä4499 kirjoitti: Mikä on mt häiriö? Kuten sanoin, minusta lääkkeen käyttö tuohon tarkoitukseen on arveluttavaa. Siinä mennään ehkä peruuttamattomasti alueelle, jonne ei pitäisi mielestäni olla mitään asiaa suoranaisesti. Ehkä en nyt vain ymmärrä tarvetta nähdä hallittua "unta" - miksi ei vain kuvitella? Jos "hourailet" saman, tunnet sen varmaan voimakkaammin. Mutta toisaalta et ole siitä niin tietoinen kuin hereillä ollessa, vai mitä? Niin siis, siinä nimenomaan on täysin tietoinen että...
Lue kommentti
Hirmun anatomia on selvinnyt sääsatelliittien mikroaaltoluotaimilla. Ne näkevät pilvien läpi myrskyn ytimeen ja paljastavat ukkospatsaat, joista myrsky saa vauhtinsa. Kuva: Nasa/Trimm

Pyörivät tuulet imevät energiansa veden lämmöstä.

Trooppiset rajuilmat tappoivat vuosina 1995–2016 lähes 244 000 ihmistä, koettelivat muuten 750 miljoonaa ihmistä ja tuhosivat omaisuutta runsaan 1 000 miljardin dollarin arvosta, enemmän kuin mitkään muut mullistukset, esimerkiksi tulvat tai maanjäristykset.

Näin arvioi maailman luonnonkatastrofeja tilastoiva belgialainen Cred-tutkimuslaitos raporteissaan, joissa se laskee katastrofien pitkän aikavälin inhimillistä hintaa.

Myrskytuhot ovat panneet myrskytutkijat ahtaalle. Kaikki tahtovat tietää, mistä näitä rajuilmoja tulee. Lietsooko niitä ilmastonmuutos?

Lämpö alkaa tuntua

Näihin asti tutkijapiireissä on ollut vallalla käsitys, jonka mukaan hirmuista ei voi syyttää ilmastonmuutosta vielä kotvaan. Se alkaa voimistaa myrskyjä vasta pitkällä aikajänteellä.

Nyt hurjimpia myrskyjä on kuitenkin alettu kytkeä ilmaston lämpenemiseen. Esimerkiksi alkusyksystä 2017 Maailman ilmatieteen järjestö WMO arvioi, että lämpeneminen todennäköisesti rankensi elokuussa Houstonin hukuttaneen Harvey-myrskyn sateita.

Jotkut tutkijat ovat puhuneet kytköksistä jo vuosia.

Esimerkiksi Kerry Emanuel, Massachusettsin teknisen yliopiston myrskyspesialisti, laski 2005, Katrinan runnottua New Orleansia, että Atlantin ja Tyynenmeren myrskyt ovat nykyään 60 prosenttia voimakkaampia kuin 1970-luvulla.

Keväällä 2013 Nils Bohr -instituutin Aslak Grinsted raportoi, että lämpenemiskehitys vaikuttaa myrskyissä syntyviin tulva-aaltoihin.

Kun maapallon keskilämpötila nousee 0,4 astetta, myrskytulvien määrä tuplaantuu. Tämä rajapyykki on jo ohitettu. Kun lämpötila nousee kaksi astetta, tulvat kymmenkertaistuvat. Silloin superrajuja myrskyjä hyökyy Atlantilta joka toinen vuosi. Tähän asti niitä on nähty kerran 20 vuodessa.

Meri lämpenee otollisesti

Tärkein myrskyjä ruokkiva muutosvoima löytyy sieltä, mistä myrskyt ammentavat energiansa ja mihin ilmastonmuutoksen nähdään vaikuttavan: meriveden lämpötilasta. Se kehittyy myrskyille otolliseen suuntaan.

Esimerkiksi Meksikonlahdella, hurrikaanien voimanpesässä, on mitattu jopa pari astetta tavallista korkeampia meriveden lämpötiloja.

Kun Haiyan, yksi kaikkien aikojen kovimmista taifuuneista, marraskuussa 2013 jätti kaksi miljoonaa filippiiniläistä kodittomiksi, meri oli myrskyn syntyalueella vielä sadan metrin syvyydessä kolme astetta normaalia lämpimämpi.

Meressä tapahtuu muutakin epäedullista: pinta nousee. Se kasvattaa myrskyjen nostattamia tulva-aaltoja, jotka usein saavat aikaan pahinta tuhoa.

 

Näin hirmumyrsky kehittyy

Hirmun syntymekanismi on sama kaikkialla, vaikka nimitykset vaihtelevat. Atlantilla ja Amerikan puoleisella Tyynellämerellä puhutaan hurrikaaneista, Aasian puolella taifuuneista ja Intian valtamerellä ja Oseaniassa sykloneista. Grafiikka: Mikko Väyrynen

 

Trooppisia hirmumyrskyjä syntyy päiväntasaajan molemmin puolin 5. ja 25. leveyspiirin välillä. Päiväntasaajalla niitä ei muodostu, sillä sieltä puuttuu coriolisvoima, jota myrsky tarvitsee pyörimiseensä

Kehittyäkseen myrsky vaatii tietynlaiset olot. Suursäätilan pitää olla laajalla alueella epävakaa ja ukkossateinen ja meriveden vähintään 26 asteista 50 metrin syvyydeltä. Lisäksi tuulien pitää puhaltaa heikosti 12 kilometrin korkeuteen asti. Voimakkaissa virtauksissa myrskynpoikanen hajoaa.

1. Merestä nousee lämmintä, kosteaa ilmaa. Se kohoaa nopeas­ti ja tiivistyy ukkospilviksi, jotka kohoavat 10–15 kilometrin korkeuteen. Samalla vapautuu lämpöä, mikä ruokkii matalapainetta.

2. Fysiikan säilymislakien mukaan ylös kohoavan ilman tilalle virtaa ympäriltä korvausilmaa, jolloin ilmanpaine alueella laskee.

3. Lämpöä kohoaa ylös yhä laajemmalti, ukkospilvien jono venyy, ja ilman virtausliikkeet voimistuvat. Ilmanpaine laskee lisää, ja alueelle syntyy liikkuva matalapaineen keskus.

4. Paine-ero tuottaa voiman, joka alkaa pyörittää tuulia kiihtyvää vauhtia. Maan pyörimisliikkeestä aiheutuva coriolisvoima kiertää niitä spiraalin lailla vastapäivään kohti matalan keskusta. Kun tuulen sekuntinopeus nousee yli 33 metrin, on syntynyt trooppinen hirmumyrsky.

Hurjimmissa myrskyissä tuulen nopeus nousee 70–90 metriin sekunnissa. Pyörteen halkaisija vaihtelee puolestaan 400 kilometristä 1 000 kilometriin.

5. Myrskyn voimistuessa sen ylle muodostuu korkeapaine, joka pyörii tuulia vastaan. Laskeva ilmavirtaus kuivattaa ja lämmittää keskusta, ja se seestyy myrskynsilmäksi.

6. Silmää kiertävät tuulet sekoittavat tehokkaasti meren pintaa 50–100 metrin syvyydeltä. Kun lämmintä vettä painuu syvyyksiin ja viileää kohoaa pintaan, ”lämpövoimala” jäähtyy ja hitaasti liikkuva myrsky voi heikentyä. Nopeaan myrskyyn jarru ei ehdi vaikuttaa, ja silloin kumpuava vesi voi loppumatkasta muuttua vaaralliseksi.

7. Kun ranta lähestyy ja meri madaltuu, tuulet pakkaavat vettä myrskyn tielle tulva-aalloksi, joka syöksyy myrskyn mukana maalle tuhoisin seurauksin.

Maalle saavuttuaan myrsky laantuu, kun se ei enää saa käyttövoimaa meren lämmöstä.

 

Tuula Kinnarinen on Tiede-lehden toimitussihteeri.

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2014. Päivitetty 12.9.2018.